意法半導(dǎo)體（ST）是英偉達(dá)800V機(jī)架內(nèi)配電新倡議的核心合作伙伴。

該倡議依賴于ST高密度供電板（PBD）對12kW功率的微型化實(shí)現(xiàn)。憑借在碳化硅和氮化鎵技術(shù)層級的最新突破、STGAP硅嵌入式電氣隔離技術(shù)及先進(jìn)模數(shù)融合處理能力，意法半導(dǎo)體正引領(lǐng)數(shù)據(jù)中心邁入超維進(jìn)化時代。此舉助力英偉達(dá)顯著縮減線纜體積并提升能效。雙方合作首次在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)12kW持續(xù)電力輸送，效率超98%，輸出50V時功率密度突破2600W/in3。

為何英偉達(dá)傾向采用800V方案？ 重構(gòu)不可持續(xù)的技術(shù)范式

數(shù)十年來，依賴于48V配電系統(tǒng)的傳統(tǒng)15kW機(jī)柜方案充分滿足了數(shù)據(jù)中心處理器、內(nèi)存及存儲需求。然而，隨著AI技術(shù)興起且超大規(guī)模并行計(jì)算架構(gòu)的GPU算力驅(qū)動型應(yīng)用井噴式爆發(fā)，系統(tǒng)架構(gòu)師面臨著設(shè)計(jì)一套新型機(jī)柜系統(tǒng)令供電需求高達(dá)600千瓦至1兆瓦的挑戰(zhàn)。毋庸置疑，功耗的急劇攀升亟需徹底革新的供電方案。例如，以48V電壓輸送600kW竟需12.5kA電流！單是想象承載此電流所需的線纜、母線排及散熱器規(guī)模，便足以令工程師們望而卻步。

未來配電技術(shù)演進(jìn)前瞻

因此，最直接有效的解決方案是提升輸入電壓以降低電流需求。這將直接導(dǎo)致線纜與母線排規(guī)模的大幅縮減，也簡化了機(jī)柜中AC電網(wǎng)與DC配電之間的轉(zhuǎn)化。事實(shí)上，英偉達(dá)在一篇相關(guān)博客文章中表示，將目前的54V方案遷躍至800V可幫助提升高達(dá)5%的效率。簡單來說，在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心可持續(xù)性備受關(guān)注的當(dāng)下，向800V架構(gòu)轉(zhuǎn)型是確保資源利用率顯著躍升且同時滿足AI創(chuàng)新技術(shù)需求的優(yōu)選路徑。

然而，之前的挑戰(zhàn)在于配電系統(tǒng)需將800V高壓轉(zhuǎn)換為中間母線電壓，進(jìn)而生成GPU核心工作電壓，且整體結(jié)構(gòu)必須適配服務(wù)器機(jī)柜的緊湊空間。由于機(jī)柜采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，空間約束極為嚴(yán)苛；更棘手的是，元件高密度排布會加劇電磁干擾與散熱管理難題。

因此，工程師們必須找出一套可用于處理該超高電壓的緊湊型解決方案。800V系統(tǒng)還需要徹底重構(gòu)隔離與接地體系，保護(hù)機(jī)制及故障處理亦將面臨全新復(fù)雜性層面。為此，英偉達(dá)選擇攜手意法半導(dǎo)體共破困局。

意法半導(dǎo)體如何將12kW功率壓縮至2600W/in3？

解決熱插拔需求

為攻克800V機(jī)柜方案的固有挑戰(zhàn)并滿足熱插拔要求，意法半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩大核心模塊：熱插拔保護(hù)電路與功率轉(zhuǎn)換器。前者采用1200V碳化硅（SiC）器件及電氣隔離型BCD（雙極-CMOS-DMOS）控制器。2021年，IEEE官方認(rèn)證意法半導(dǎo)體為BCD硅工藝系列首創(chuàng)者。BCD技術(shù)可實(shí)現(xiàn)模擬與數(shù)字元件集成，顯著提升電源管理方案的效率與可靠性。此外，意法半導(dǎo)體在碳化硅器件領(lǐng)域積淀近30年經(jīng)驗(yàn)，系首家將其規(guī)?；瘧?yīng)用于電動汽車領(lǐng)域的制造商。

優(yōu)化初級側(cè)

第二部分為DC-DC轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)將機(jī)架內(nèi)800V高壓轉(zhuǎn)換為各伺服器所需的50V電壓。為實(shí)現(xiàn)微型化設(shè)計(jì)，意法半導(dǎo)體采用650V氮化鎵（GaN）晶體管構(gòu)建堆疊半橋拓?fù)?，初級?cè)配置STGAP電氣隔離柵極驅(qū)動器。得益于3.4eV寬禁帶與1700cm2/V·s高電子遷移率，氮化鎵（GaN）兼具超低輸出電容與導(dǎo)通阻抗特性，成為高頻電力電子應(yīng)用的理想材料。

優(yōu)化次級側(cè)

在次級側(cè)上，ST采用100V低壓氮化鎵（GaN）晶體管、低壓柵極驅(qū)動器及STM32G4微控制器。得益于分辨率低于200皮秒的精密定時器，該MCU可實(shí)現(xiàn)高性能控制，完美適配此類轉(zhuǎn)換所需的高頻開關(guān)需求。同時，STGAP器件為功率轉(zhuǎn)換器初級側(cè)與次級側(cè)提供完全電隔離，有效屏蔽電磁干擾（EMI）等異常事件，確保超緊湊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。

拆解原變壓器為兩組四單元小型變壓器陣列

除精選元器件外，ST還需突破空間極限，也就是磁件微型化。尤為關(guān)鍵的是，10kV隔離層擠占了原屬變壓器的空間。為縮減變壓器磁件體積，意法半導(dǎo)體將傳統(tǒng)大功率全橋拓?fù)洳鸱譃閮山M四單元并聯(lián)的整流全橋陣列，實(shí)現(xiàn)協(xié)同整流。此分體式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)磁通分流降低單磁芯負(fù)荷，并擴(kuò)展熱耗散路徑。配合四組小型全橋拓?fù)?，采用微型鐵氧體磁芯，最終達(dá)成變壓器整體體積的突破性縮減。

該組件清單與拓?fù)浞桨讣畜w現(xiàn)了意法半導(dǎo)體多年積淀的深厚技術(shù)專長，鑄就了我們解決方案的獨(dú)特優(yōu)勢。當(dāng)同業(yè)需多方采購部件時，我們提供全棧自研的集成方案，顯著提升系統(tǒng)優(yōu)化效率。該新型800V配電架構(gòu)更凸顯帶有寄生電感最小化及雙面冷卻的超緊湊封裝的至關(guān)重要性。意法半導(dǎo)體持續(xù)推動芯片級微型封裝，作為英偉達(dá)的核心戰(zhàn)略伙伴。

縱觀全局

業(yè)界正探索超大規(guī)模AI基礎(chǔ)設(shè)施的能效提升路徑，但技術(shù)路線各有所異，比如有些企業(yè)正在布局±400V系統(tǒng)。憑借技術(shù)積淀與方案組合，意法半導(dǎo)體可輕松復(fù)用電源轉(zhuǎn)換器技術(shù)成果，適配多元功率需求。本質(zhì)上，意法半導(dǎo)體已具備賦能所有企業(yè)優(yōu)化AI數(shù)據(jù)中心能效與可持續(xù)性的完整技術(shù)。

英偉達(dá)的正式官宣與合作協(xié)同具有重大意義。英偉達(dá)已正式批準(zhǔn)ST概念驗(yàn)證方案，且雙方將共同推進(jìn)測試板制造。這一里程碑彰顯了雙方聯(lián)合對數(shù)據(jù)中心藍(lán)圖的重塑，實(shí)現(xiàn)數(shù)年前無法想象的突破性能效。英偉達(dá)800伏高壓直流架構(gòu)與意法半導(dǎo)體配電板展現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心新紀(jì)元的開啟。